檢測器
抖化學(xué) / 2022-10-15
液相色譜儀上的另一重要裝置是檢測器。生產(chǎn)一個合用的聯(lián)機檢測器,對于LC的近期發(fā)展是很重要的。最初有兩種類型填補了這一需要一早期用于凝膠滲透色譜(GPC)的折光指數(shù)(RI)檢測器,及Kinklandr0)1969年描述過的紫外( UV )檢測器。從那時以來,曾經(jīng)描述了大量用于LC的檢測器,其申很多只有極專一的用途。以下將先討論與檢測器性能有關(guān)的各種參數(shù)。
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檢測器參教
任何檢測系統(tǒng)的根本特性是在儀器噪聲的背景上產(chǎn)生可辨認(rèn)信號的溶質(zhì)最低濃度。因此,一個好的檢測器既具有高的響應(yīng)值,同時又有低的噪聲水平。就象在描述理想的LC時指出過的,理想是難于實現(xiàn)的,但使用UV和熒光檢測器,共靈敏度可達(dá)到1/10*。也必須了解檢測器的漂移特性,雖然漂 移經(jīng)常是由于溫魔或色譜條件變化引起的,很少是由于檢測器的設(shè)計不良所引起。檢測器的絕對靈敏度通常定義為產(chǎn)生兩倍于噪聲水平信號的溶質(zhì)濃度。這與柱頂端樣品濃度之間的關(guān)系因子約為0.1,因為當(dāng)樣品被沖洗通過柱子時至少稀釋10倍。這一參數(shù)稱為相對靈敏度(或檢出限),取決于所用的柱子。值得注意的是當(dāng)塔板高度從0.5毫米減少到0.05毫米時,導(dǎo)致靈敏度增大三倍。
噪聲可分為三種類型。高頻噪聲通常由流動池中的氣泡或電子效應(yīng)所引起,短周期噪聲和漂移則經(jīng)常是由于變化的色譜條件。
因此,由于梯度洗脫系統(tǒng)混合不完全所引起溶劑組成的短周期變化,可導(dǎo)致檢測器輸出信號中有正弦波型噪聲。如果種溶劑在UV中有輕微的吸收,另- 種不吸收(例如乙酸乙酯和己規(guī)),這種現(xiàn)象就可能十分嚴(yán)重。漂移(或長周期噪聲)常由溫度成溶劑變化所引起,因此可用恒溫及更好地控制溶劑的流動與組成而減輕。電子設(shè)備失靈也能引起漂移和短周期噪聲,但正確的設(shè)計應(yīng)能使這些減至最小值。
檢測器的線性很是重要,尤其在進行定量工作時更是如此。常見的線性動態(tài)范圍為10'的數(shù)量級,這雖還不能和許多GC檢測器比較,但通常已經(jīng)夠用。
關(guān)于LC檢測器的最后一點考慮,是它所引起的譜帶擴展,這點與GC無關(guān)。這一擴展是檢測器池及連統(tǒng)部分體積的函數(shù),在后面一節(jié)中還要詳細(xì)討論。最后一點也許太明顯了,但還應(yīng)說的是檢測器對于預(yù)期中工作的適用性。因此,買個UV檢測器用于研究蔗糖或甘油酯是很不合適的,同樣地,想把折光率檢測器用于痕量分析也是無效的。所以在選擇LC檢測器時必須注意:適用性、靈敏度以及穩(wěn)定性。
檢測器常被分為兩種類型一整體性能檢測器和溶質(zhì)性能檢測器。,整體性能檢測器以折光事監(jiān)控器為代表,是將流動相的一種性能與含有其它物質(zhì)的流動相的同一性能進行比較。由于這一原因,整體性能檢測器雖然是通用性的,但相對地不靈敏,并要求有好的溫度控制。另一方面,溶質(zhì)性能檢測器只測量溶質(zhì)的性能,例如UV檢測,這種檢測器的靈敏度一般較高,也不必有好的溫度控制。但這類檢測器不是通用的,↓而整體性能檢測器則對所有的溶質(zhì)都產(chǎn)生響應(yīng)。一般說來,整體性能檢測器的最大靈敏度約為1/10³,即幾個微克,溶質(zhì)性能檢測器大致靈敏1000倍,對幾纖克的樣品產(chǎn)生可檢出的信號。
紫外檢測器
紫外(UV)檢測器是目前LC中使用最廣泛的檢測器。因為它們具有高靈敏度和低噪聲的特性。但只限于吸收UV輻射的溶質(zhì)。早期的檢測器為單波長或雙波長(254和(或)280纖米),但最近Du Pont 830型儀器已引用了多段波長光度計,各制造現(xiàn)在也提供可變波長檢測器,量程包括210~800纖米范圍( CecilInstruments, Varian, Siemens, Waters )。因為UV檢測器是溶質(zhì)性能檢測器,對溫度變化和流速相對地不敏感(詳見下節(jié)),因而對梯度洗脫是理想的。UV檢測器的另一適應(yīng)性是在某些可變波長的儀器上,可于停流之后對一個峰進行掃描,從而
得到這個峰組分的UV光譜。
由此可知,為什么UV檢測器是目前LC中應(yīng)用最廣泛的檢測器。液相色譜工作者感興趣的許多化合物都有UV吸收,加上它的高靈敏度,使UV檢測器適用范圍很廣。
折光率檢測器
這是最廣泛使用的整體性能檢測器。基于測量流出液相對于純館劑的折光指數(shù)變化,在第一個專門設(shè)計的紫外光度計產(chǎn)生之前,已經(jīng)有了市售的商品折光率(RI)檢測器。這是因為凝膠滲透色譜儀上廣泛使用折光率(RI)監(jiān)控器的緣故。凝膠滲透色情法的獨特之處是洗脫液體積不會超過柱的總?cè)軇w積(除非存在有吸附效應(yīng))。這又意味著樣品的稀釋度最小,一般不要求高的檢測靈敏度。
因此市場上有折光率監(jiān)控器出售,而且許多最初的儀器就裝備了這種檢測器。但作為一個普遍使用的LC檢測器,它的局限性是:靈锨度低;對梯度洗脫缺乏適應(yīng)能力;需要嚴(yán)格的溫度控制:最好的RI監(jiān)控器可分辨到10~-RI單位,但因溶質(zhì)與溶劑平為只相差0.1RI單位,所以總的靈敏度約為1/10³。為了在此水平上保持穩(wěn)定,溫度控制必須優(yōu)于士0.001C。 為實現(xiàn)這一溫度控制,需使用高效率熱交換系統(tǒng),這又使檢測器的總體積增大,從而更加使溶質(zhì)的譜帶增寬。盡管存在著這些限制,但RI監(jiān)控器仍在例行工作中廣泛使用,特別是在GPC中,這些工作既不要求高的靈敏度,也無須梯度洗脫。此外也廣泛用于制備分離。
實際上有兩類RI監(jiān)控器可供應(yīng)用。一類是偏轉(zhuǎn)型的(例如Waters Associates 的產(chǎn)品),它測量單色光光束在雙棱鏡上的偏轉(zhuǎn)度,洗脫液通過棱鏡的一半,另一半則充滿了純?nèi)軇?。這基較易使用的一種,但池體積較大。另一類型以Fresnel原理為基礎(chǔ),當(dāng)液體RI改變時,測量玻璃-液體界面上反射光的百分變化申。這種監(jiān)控器的流動池比偏轉(zhuǎn)型要小(~3微升),更適用中高效柱:為了能靈敏地運轉(zhuǎn),池窗必須保持非常清潔,并需要用兩個池以包括RI值的整個量程。此外也仍然存在RI監(jiān)控器所固有的靈敏度不高的缺點(見附錄I )。
移動絲檢測器
這種檢測器是在1960年代后期設(shè)計的,首先是作為通用的柱監(jiān)控器,與RI檢測器相反、不受溫度和梯度洗脫的影響而設(shè)計的。
現(xiàn)在市售的僅有一種(Pye LCM2),主要因為靈敏度并不比RI檢測器高,而且體積笨重,使用不便。許多評論者認(rèn)為,雖然當(dāng)前還不夠靈敏,但這一系統(tǒng)對通用的靈敏檢測器提供了最大的希望,但是迄今尚未發(fā)表過必要的改進意見。
在這一體系中,當(dāng)洗脫液流出柱子時,- .條鋼絲(某些早期的型式中是鏈或帶子)被牽引穿過流出液,在此過程中鋼絲接收了流出液的樣品,然后鋼絲通過一個小烘箱, 流動相在此揮發(fā)掉,再經(jīng)過較大的高溫烘箱,留在鋼絲上的全部溶質(zhì)在此發(fā)生熱解或氧化。Pye公司早期的儀器使用GC檢測器(火焰離子化或氫離子化檢測器)來檢測熱解產(chǎn)物。目前的型號[則將溶 質(zhì)氧化并使CO2轉(zhuǎn)化成CH,再用火焰離子化檢測器進行測定。雖然最后一步使用了很靈敏的檢測器,但由于鋼絲的機械傳輸系統(tǒng)固有的噪聲,也由于鋼絲對流出液的百分接收率低下,所以總的靈敏度又降低到大約1/10³³。
曾對本系統(tǒng)進行了改革,主要是用質(zhì)譜計作為最后的檢測器,但一般說來靈敏度并無明顯提高。改進的主要方向可能是將全部流出液帶到系統(tǒng)中,但溶劑蒸發(fā)產(chǎn)生的巨大體積很可能帶來不利之處。厚的或多孔的移動絲增大流出液的百分接收率,但由于機械移動以及在高溫爐中不完全或不穩(wěn)定的氧化作用,可能引起更大的噪聲。
其它溶質(zhì)性能檢測器
現(xiàn)有多種基于溶質(zhì)特殊性能的其它檢測器,但當(dāng)前僅有兩種隨商品液相色講儀供應(yīng)。這兩種是熒光和電導(dǎo)事檢測器。熒光光度計是由Du Pont 和LDC公司提供的,電導(dǎo)串檢測器則由He-wlett-Packard和Spectra Physics ( Chromatronix )公司提供。熒光檢測器「非常靈敏,但是專用性的,電導(dǎo) 檢測器也是專用性的,靈敏度較低,而且限于水溶劑系統(tǒng)。其它檢測器是以極譜法、放射性以及紅外輻射吸收為基礎(chǔ)的。各自有其缺點,但對于特殊的體系, Koen等[10]描述的極譜檢測器是很 靈敏的,放射性檢測器在改進之后也應(yīng)很靈敏,雖然其用途極為專紅外檢測器可用于GPC,但也僅限于LC的這一方式,因為除了在非常有利的情況之外,它不及RI監(jiān)控器靈敏。
其它整體性能檢測器
應(yīng)該提到兩種檢測器。它們基于測量流出液的介電常數(shù)和密度。對大多數(shù)化合物靈敏度不高,用途不大。
其它檢測器
還有一、二種檢測系統(tǒng)不屬于上述兩類范疇。第一種類型可能非常有用,即反應(yīng)檢測器。茚三酮體系對于氨基酸分析是眾所周知的。在理論E可能設(shè)想許多類似的用于化合物的特異基團體系。近來對其中某些體系作了描述。它們包括由C. D. Scott及共同事們111所設(shè)計和制作的用于蔗糖檢測的體系,以及Stahl第1121制作的使用指示劑的簡單酸類體系。這些檢測器的原理很簡M。將適當(dāng)?shù)脑噭┡c流出液混合,在組分流出時就發(fā)生快速反應(yīng),從而產(chǎn)生出易于檢測的品種。使用光度計測定,如氨基酸分析儀及Stahl設(shè)計的裝置,最為方便。這樣做并不困難,但關(guān)鍵在于適當(dāng)?shù)目焖俜磻?yīng)試劑。雖然如此,其中仍有不少試劑是有很大潛力的。
另一種檢測器的某種型式實際可歸入整體性能檢測器,就是區(qū)應(yīng)熱檢測器[13]。文獻(xiàn)充分報導(dǎo)的唯一型式是吸附熱檢測器,早期由Varian公司出售,現(xiàn)在已停止了。其工作原理為當(dāng)溶質(zhì)通過吸附劑床時該裝置測量其產(chǎn)生的吸附熱。它需要良好的溫度控制,并給出差示型的響應(yīng),因為此裝置既測量吸附熱,同時也測量解吸熱。與前述的反應(yīng)檢測器非常類似,屬于同一內(nèi)容的另形式是應(yīng)用種合適的試劑,當(dāng)溶質(zhì)流出時與之混合,測量其其應(yīng)熱。這種體系可以避免吸附熱檢測器的差示響應(yīng),但仍需細(xì)心地使用恒溫反應(yīng)器。它也需要。系列適當(dāng)?shù)脑噭?,以便與各種類型的化合物產(chǎn)生快速的放熱反應(yīng)。因此,它與反應(yīng)熱檢測器有相同的缺點,需要嚴(yán)格地控制反應(yīng)器的溫度。
至此,已討論了大部分文獻(xiàn)中敘述的和市售的檢測器。共中許多仍屬于實驗性儀器,實際僅有不多幾種已用作液相色譜儀的整機部件。通常各個儀器都采用的主要檢測器是UV光度計,它們有單或雙的固定波長,以及多段波長或可變波長。RI 監(jiān)控器總是第二個提供選擇的對象,然后根據(jù)各個制造廠廠商再供應(yīng)熒光,移動絲或電導(dǎo)率檢測器。其它類型的檢測器往往由使用者按要求自己制做。極譜檢測器是代表性的例子,因為采用Huber的設(shè)計可以用很少的錢制成一個測定池。反應(yīng)檢測器也是由各人獨立地發(fā)展起來的,通常用于專門的分離,而總的說來是“自己制造”的。
關(guān)于通用檢測器的發(fā)展,即使只具有適當(dāng)?shù)撵`敏度,迄今也還沒有可能。有些體系似乎很有希望,尤共如移動絲和反應(yīng)檢測器,但仍須克服很多困難。無疑將會開辟出新的途徑,以試制一種理想的通用檢測器。采用改裝的質(zhì)譜儀作為通用液相色譜檢測器的吸引力相當(dāng)強
烈。不少研究組曾試圖制作一個 能夠工作的體系,當(dāng)前有許多努力正是朝著這個方向的[14~17]。主要的問題是關(guān)于導(dǎo)入系統(tǒng)以及對大量流動相的處置,但根據(jù)Scott[15]和Horning等[16]最近的文章判斷,工作已經(jīng)獲得進展。
目前對檢測器的選擇甚為簡單。大多數(shù)UV和RI檢測器的規(guī)格很相似,選擇時常常根據(jù)其可應(yīng)用性、簡單性及可靠性而定。各儀器的區(qū)別,在于流動池的設(shè)計不同。有關(guān)這點及 柱與檢測器之間的連結(jié)問題,將在下節(jié)中詳細(xì)討論。